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【発明の詳細な説明】 本発明は、ドリルパイプを介して下方へ向かうドリル流体流のエネルギを利用することにより大きな流体圧を発生させるために、特にオイルおよびガスの深掘削を行なうドリルパイプの下端部にドリルビットを取着する圧力コンバータに関する。

改善された一層効率のよい掘削操作を行なうために特に、掘削流体流を利用することに関して種々の提案がなされていることが知られている。 かかる公知の技術の一例が、国際特許出願PCT/EP82/00147において見受けられる。 この例は、掘削作用を高めるように、エネルギ源として掘削流体流を用いて得られるインパクト効果を利用する技術に関する。

本発明にとって特に重要であるのは、それ自体は公知である、周囲の岩盤層（rock formation）において切削作用を行なわせることにより掘削を一層有効に行なうようにしている１つ以上の高圧ジェットを使用している点である。 しかしながら、本発明は、所要の高流体圧を発生させる新規な構成の圧力コンバータに関する。

本発明に係る圧力コンバータの新規かつ特有な構成は先づ、駆動手段が掘削流体流により駆動され、圧力ストロークと復帰ストロークとを有する往復動を行なうようにピストン手段を制御するバルブ手段を動かすようになっている点にあり、前記ピストン手段は一方の側に、圧力ストロークの際にドリルパイプ内の流体圧を受けるようになっている比較的大きいピストン領域を有し、他方の側に、圧力ストロークと復帰ストロークの双方においてドリルパイプの外側を上方へ流れる掘削流体の復帰圧を受ける第１の反対側のピストン領域と、圧力ストロークの際に、ドリル流体流の小さい割合の部分で高い圧力を提供するようになっている第２の反対側の比較的小さいピストン領域とを有し、チェックバルブが流体流のこの小さい割合の部分をドリルビット（drill bit）へ前方に延びるヘッダーチャンネル（header channel）へ放出し、一方、復帰ストロークの際に大きなピストン領域がドリルパイプの外側の復帰圧を受けかつ小さいピストン領域がドリルパイプ内の圧力を受けるようになっている。

代表的な例として、使用されるドリル流体流の圧力は約200−300バールとすることができ、一方、変換することができる小さい方の流体流は、例えば、1500−2000バールの高い圧力を受けることができる。 （本明細書の説明において、圧力の大きさを表わす数値例が示されている場合には、問題となる深さにより決定される静圧は無視されているので、かかる数値は原則として相対的な大きさ、即ち、圧力差である。）得られた高圧流体はドリルビットのノズルに導かれ、流体はここから、周囲の岩に割り込んで下にある塊の応力を解放することができる強力な噴流の形態で放出される。 これにより掘削作業が容易となり、掘削の速度を高めることができる。

本明細書において説明される新規な圧力コンバータにおいては、少なくとも当初は復帰ストロークに作用するばね、好ましくは、第１の反対側の領域に対して作用する圧縮ばねを配設するのが有利である。

更にまた、ピストン部材は、上記したドリル流体とばね圧の影響を受けて軸線方向へ自由に動くことができ、
一方、ピストンの往復動は好ましくはドリルパイプの長手方向へ行なわれる。

ほとんどの場合、本発明によれば、高圧流のヘッダーチャンネルは圧力コンバータの一方の端部から反対側の端部へ貫通するように配設して、両端部を同様の圧力コンバータに結合することができるようにすることにより、例えば15乃至20のユニットからなるグループを構成する幾つかの圧力コンバータユニットに共通のヘッダーチャンネルを形成するのが好ましい。 これにより、全体の容量が増大し、所望の高圧流体流を得ることができる。 更に、かかるグループの個々のユニットの圧力ストロークの移相により、全体が滑らかな高圧流を得ることができるという大きな利点が得られる。 更にまた、このようなグループ配列により、１つまたは少数の圧力コンバータが故障した場合に、グループの残りのユニットが、対象物に対して十分な量の高圧流体を供給することができる。 即ち、グループの圧力コンバータユニットは、掘削流体流に対して、互いに並列した関係にある。

本発明に係る圧力コンバータは、ドリルストリング（drill string）の頂部にあるポンプからの正常な流体流を介して行なわれる直接的な影響または制御の下で専ら操作することができるので、掘削流体の所望の高圧流の発生を規制するために特定の制御系または接続系を設ける必要はない。 ポンプにより供給される掘削流体の圧力、速度および／または量を高めることにより、圧力コンバータユニットは、より大きいまたはより小さい量と、より高いまたはより低い圧力とを有する高圧流をそれぞれ提供する。 ドリルストリングの頂部から下方へ流れるドリル流体を制御するために広く用いられている手段がこの場合に有用である。 かくして、200乃至340バールの圧力を一般に提供するポンプからのドリル流体はドリルストリングまたはドリルパイプ内を下方へ流れることにより、ドリル流体の小さい割合の部分が圧力コンバータユニットを通過し、所望の高圧に変わる。

以下、本発明を図面に関してより詳細に説明するが、
図面において、 第１図は、本発明に係る圧力コンバータが配設されたドリルストリングに関する代表的な圧力関係を特に示す概略流れ線図であり、 第２図は、本発明に係る圧力コンバータの実施例を示す横断面図であり、 第３図は、可動部材をはじめとする内部部材が省略されている第１図の圧力コンバータを示す一部破断斜視図であり、 第４図は、第２図のコンバータユニットの頂部に設けられたカバーを示す部分横断面図であり、 第５図は、第２図の圧力コンバータに組み込まれているプレート状バルブ部材を示す平面図であり、 第６図は、第２図のＡ−Ａ線横断面図であり、 第７図は、第２図の圧力コンバータユニットの４つのアセンブリを、頂部片と底部片とが設けられたグループで示す斜視図であり、 第8Aおよび8B図は、ドリルパイプに取着された場合の第７図に示すグループの頂部と底部をそれぞれ詳細に示す部分斜視図である。

約200乃至340バールの比較的低い圧力を有する流体を約1500乃至2000バールの高い圧力（相対的な大きさ）を有するより少量の流体に変換するために本発明に係る圧力コンバータを使用する場合における、ドリルストリングにおいて行なわれる動作の主な特徴およびそれに伴う圧力関係の代表例が第１図に示されている。

流体流Ａがポンプ系から供給され、ドリルストリングの長さおよびその系の容量により、約200バール、最大3
40バールの圧力と、分当たり約200乃至4000リットルの量となる。 ドリル流体は４つのユニットを有する圧力コンバータグループに入り、タービンＢにより導かれてバルブ操作に供される。 ドリルストリングおよびタービンを通過する際の圧力降下は約50バールであると考えられる。

掘削流体は２つの流れに分割される。 分当たり約400
乃至600リットルの一方の流れは圧力コンバータを介して流れ、残りの部分は系を介してドリルビットへ流れ、
ここで、ジェットノズルにより、約180乃至270バールの圧力降下を生ずる。 ドリルビットを通過後、掘削流体がドリルストリングの頂部においてドリルモジュールへ復帰する前に、約20バールの圧力降下を有する復帰流Ｈが生じ、この復帰流はドリルストリングの頂部において通常の態様で開放タンク（１バール）に導かれる。 各圧力コンバータにおいて、流体流Ｃは、掘削流体の小さい割合の部分の圧力を増加させることにより、この流体流の圧力は約200乃至290バールから約20バールへ降下する。
次に、流体流は、チューブＤを通過し、復帰流Ｈに入り、通常のケースの内側において約20乃至40バールの圧力でドリルストリングまたはパイプの外側を流れる。

エネルギが加えられた流体流の小さい割合の部分は、
約200乃至290バールから約1500乃至2000バールへ圧力が増大する。 この流体流はここで、チャンネル系Ｅを介してドリルビットへ下方に導かれる。 ドリルビットの部分には、地層（formation）に「割り込む」（“cut"）ことができる特定の高圧ノズルが取着されている。 反対圧力は掘削流体に関するのと同じ、約20バールであり、従って、これらのノズルにおける圧力降下は約1500乃至20
00マイナス20バール、従って、約1480乃至1980バールとなる。 流体流ＦとＧは結合し、粉砕されかつ自由となった粒子を地表へ運ぶ、即ち、流体流ＦとＧは一緒になって全復帰流Ｈを形成する。

第２図に示す実施例においては、３つの作動ピストン領域、即ち、上部の比較的大きいピストン領域11と、第１の反対側のピストン領域13と、ピストン手段６の下端部にある第２の反対側の比較的小さい領域12とを有するピストン６を収容するようになっている略円筒状のハウジング10が設けられている。 これは、それぞれのピストン領域に及ぼす変動掘削流体圧の影響と、ピストン領域
13と係合する圧縮ばね14の影響とを受けて軸線方向へ自由に動くことができるようになっている。

以下の説明から明らかなように、ピストン領域11の前方の空間すなわち容積31は、低圧空間と云うことができ、一方、容積32は高圧空間と云うことができる。 チェックバルブ15を介して、この後者の空間は、得られた高い圧力の掘削流体流のヘッダーチャンネル16に接続されている。 チャンネル16は、ハウジング10の長手方向全体に亘って延び、幾つかのかかる圧力コンバータユニットを相互に接続して１つのグループとしている。 かかるグループの配設については、第７および８図に関して詳細に後述する。

ヘッダーチャンネル16に対して直径方向反対側には、
ハウジング10の長さ全体に亘って、両端部が対応する圧力コンバータに結合される手段を端部に備えた貫通駆動軸21を挿通する孔を有する幅広の壁部が設けられている。 駆動軸は小さなギヤ25を有し、該ギヤは軸24に取着された第２の小さなギヤ（図示せず）を介して、第５図により明瞭に示されるように、周囲に歯を有する丸いプレート27の形態をなすバルブ部材を回転させるように作用する。 圧力コンバータの作動の際には、バルブプレート27は、圧力コンバータユニットの長手方向の軸線を中心に連続して回転するようになっており、この軸線は通常は、圧力コンバータが取着されるドリルパイプの軸線と一致する。

上記したバルブプレート27は、掘削流体流の一部をピストン領域11の上方の空間に対して出入りするように向ける作用をなすバルブ手段の主要な要素を構成する。 更に、ハウジング10の頂部にあるこのバルブは、互いに実質上対向して配置された２つのチャンネル、即ち、入口チャンネル34と出口チャンネル35とを有するカバー22を備え、双方のチャンネルは、第２図において参照番号34
で示すように、ピストンハウジングの壁を貫通している。 カバー22は、第４図に詳細に示されている。 ピストンハウジングの壁を介して延びるチャンネル34と35については、第３図に示されている。 チャンネル35から半径方向外方へ、出口が短いチューブ（図示せず）を介して環状通路（annulus）に続き、ドリルストリング即ちチューブとケーシングとの間で復帰流を通すようにしている。

カバー22の入口チャンネル34は弧状のスリット22Aへ内方に通じ、一方、出口チャンネル35は対応する態様で弧状のスリット22Bと連通している。 いずれのスリットとも、下方に開口し、バルブプレートの回転の際に該プレートの透孔27Bと協働するようになっている。

バルブプレート27とカバー22との間には、カバーの場合と同様に同じようなスリットを有するベアリングプレート26を設けるのが有利である。 同様のベアリングプレート即ちシールプレート28がバルブプレート27の下に配置され、プレート26およびカバー22の場合と同様に対応する弧状のスリットを有している。 頂部にカバー22と底部にシールプレート28を有するバルブ手段全体は、先づ上部固定リング23により、次に下部固定即ちシールリング29により所定の位置に保持される。 更に、中心ボルトが参照番号30で示されており、これは特にバルブプレート27の回転軸を構成しており、バルブ手段のその他のプレートは固定されている。 バルブ構造に組み込まれている種々のプレートは、種々の材料から形成することができるが、循環する掘削流体により代表される過酷な環境に耐えるためには、可能であれば表面コーティングの形態をなす高特性の材料、例えば、セラミック材料を使用するのが有利であり、これは特に、上記した２つのベアリングプレート26および28の場合に重要である。

第２および３図には更に、第１の反対側のピストン領域13の前方の空間を、ドリルチューブと溜めのケーシングとの間の環状通路において上方へ流れる掘削流体の復帰通路と流体連通させる短いチューブ即ち接続体37A、3
7Bおよび37Cが図示されている（全部で４つのうち３つが図示されている）。 かくして、ピストン領域13の前方の空間は、常に、比較的低い掘削流体圧を受けることになる。

横断面図である第６図には、高圧流体のヘッダーチャンネル16へチェックバルブ15を介して通じる出口のほかに、ドリルパイプの内側の主たる流れから掘削流体の流入を可能にする関連したチェックバルブ39Aと39Bとをそれぞれ有する２つの入口を備えた高圧空間32が詳細に示されている。

次に、上記のように構成されている圧力コンバータの動作について説明する。

ピストン６の上死点から開始する場合、バルブプレート27の透孔がバルブプレート22の入口スリット22Aの下に動くと、圧力ストロークが下方へ行なわれ、約200乃至300バールの圧力の掘削油が入口チャンネル34を介して入り、下方向の駆動力をピストン領域11に作用させる。 反対側のピストン領域13は一般には約20乃至40バールという著しく低い圧力を受け、一方、ばね14は、例えば、２乃至400kgの押圧力を有することができる。 しかしながら、ピストン６の上側において下方に働く駆動力がピストンの下側の反力を上回り、所望の圧力ストロークを行なう。 この下方への動作の際に、反対側のピストン領域13の前方の掘削流体は、ばね14が圧縮されると同時にチューブ連結体37A、37Bおよび37Cを介して押し出され、一部はばねが保持される環状の凹所に収容される。 凹所の頂部における当接部（第３図参照）は、圧力ストロークにおける最大の下方向の動きを制限するように作用することができる。

目的とする高圧の形成は、コンバータユニットの底部の小さいピストン領域12の前方の空間32において行なわれ、高圧下の掘削流体がチェックバルブ15を介してヘッダーチャンネル16へ押し出される。

カバー22の分離している２つのスリット22Aおよび22
B、並びに、ベアリングプレート26および28の実質上完全に対応して配置された関連するスリットは、バルブプレート27の透孔27Bとともに、ピストン手段を底部位置即ち下死点から圧力ストロークの開始点である頂部位置へ向けて上方へ導く復帰ストロークの進捗を決定する。

復帰ストロークは、出口チャンネルに通じるバルブプレートの開口が空間31を、ドリルチューブとケーシングとの間の環状通路、即ち、掘削流体の復帰流の上記した著しい低圧部と連通させる。 次に、先づ、ピストン領域
11と13の圧力が等しくなり、圧縮ばね14がピストン手段の上方への動きを開始させる。 この段階では、小さいピストン領域12の前方の空間32には依然として比較的高い圧力、多くの場合、1500バールよりも幾分低い圧力が存在し、ピストンを上方へ動かす。 バルブ15は閉じて、ヘッダーチャンネル16に高い掘削流体圧を形成する。 ピストンが上方へ動くと、空間32は拡張し、入口バルブ39A
および39B（第６図）は開き、ドリルパイプ内の掘削流体圧は一般に約200乃至300バールとなる。 これにより、
上方へ向かう押上げ力全体が高まる。 この復帰ストロークの際には、掘削流体は接続体37A、37Bおよび37Cを介してピストン領域13の前方の空間へ内方に向けて流れる。

本明細書において説明しているような動作に関しては、貫通スリット22Aおよび22Bの端部とプレート26および28の対応するスリットとの間の空間は、高い掘削流体圧の部分から復帰流圧の部分への直接的な貫通流即ち「短絡」を防止するように、バルブプレート27の透孔27
Bのサイズに対して十分に大きくしなければならない。

上記説明は、単一の圧力コンバータユニットとその動作に関するものである。 以下、特に、より高い全体の能力即ち容量を得るためにかかるコンバータユニットを組み立ててグループにする態様を、第７および８図に関して説明する。

第７図は、４つの圧力コンバータユニット41、42、43
および44を、長手方向に端部どうしを互いに連結した状態を示し、頂部片３がユニット41に取着され、底部片５
がユニット44に取着されている。 コンバータユニット41
には、第２および３図に示すような短いチューブ37Aと3
7Bとが、駆動軸21とともに示されているが、駆動軸21は残りのユニットの駆動軸、即ち、軸21A、21Bおよび21C
に回転自在に連結されている。

頂部片３は、掘削流体流により駆動されるようになっているタービン20の形態をした駆動手段を担持しており、歯車伝達機構が動力をタービンの軸から組み立てられた駆動軸へ伝達してこれらを共通して回転させることにより、コンバータユニットのバルブ手段の所期の制御を行なうことができるようにしている。 これらの位相を変化させる、即ち、相互に角度変位させることにより、
圧力ストローク従って各ユニットから共通のヘッダーチャンネルへ出力される高圧が、個々のコンバータユニットから生ずる圧力流よりも一層一定した圧力流に円滑化されるようにするのが有利である。 参照番号46で示す位置において、ヘッダーチャンネルは、ドリルビット（図示せず）の領域へ更に流体を流す中央出口を有する底部片５の中へ延びている。

組み立てられた圧力コンバータのグループは、底部プレートにより支持されたドリルパイプ内に自立して配設されている。 第８図は、グループの頂部および底部を幾分詳細に示す。 コンバータユニット41と44は全体が図示されており、ユニット42と43は一部分だけが示されている。 周囲のドリルパイプ１は、掘削流体の主要部分をドリルビットへ向けて下方に正常に流すことができるように、グループをなす圧力コンバータの外側でこれを包囲する環状の流体通路40を形成している。 上からの掘削流体流全体が、第8A図において矢印19で示されている。 掘削流体流は、ドリルパイプ１の内側の狭い入口部を介して、コンバータのグループに対して上流側に配置されたインペラ20に抗して導かれる。 ドリルパイプ１の外側の環状通路に出ている上記した短いチューブ即ちチューブ接続体は、第8A図にはそのうちのチューブ37が示されているが、所定の場合には、コンバータグループ全体をドリルパイプ１内で固定しかつ整合させることができる。

各圧力コンバータは単独では、実際の要求との関係で高圧流体の放出に対しては容量は小さすぎる場合でも、
上記したようにグループに形成すると、十分な大きさの組合わせ能力を得ることができる。 各圧力コンバータユニットは、ピストン手段のストローク量に依存する容量（リットル／分）を有している。 この場合の、全体としての動作に関して重要なファクタとして、インペラ20を有するタービン２は、比較的高い動力容量を持たなければならない構造体の一部であるピストン手段に対して出入りする掘削流体を制御するバルブ手段を動かすことだけを目的とするから、特に高い動力出力を有する必要がないということがある。

例えば、実際に15乃至20のコンバータユニットの組合わせからなるグループは、約６メートルの全長を有することができるとともに、対応する長さを有するドリルパイプまたはドリルストリングのセクション内で底部片に、可能であればドリルパイプまたはストリングの内部と圧力コンバータユニットとの間に配置した支柱素子を用いて、自立して取着することができる。 容量を更に増大させるため、かかるセクションまたは約６メートルの長さの単位を幾つか相互連結させることができる。

共通の掘削流体ポンプにより供給される掘削流体流とは別に、圧力コンバータから表面、例えば、ドリルリグへ直接接続する必要がないので、圧力変換操作の制御および規制は、十分に考慮して行なわなければならない。
この場合の比較的重要なファクタは、操作の際にドリルビットにおける圧力降下である。 上記したように高圧掘削流体の発生を伴う掘削操作に先立って、以下の操作を行なうことが手近でありかつ通常である。

−通過する掘削流体による圧力降下を測定するためのドリルビット内に永続的に取着されたノッズルの調整 −圧力コンバータへの掘削流体供給における圧力降下と掘削流体の復帰流における圧力降下の調整または測定 −バルブを動かすタービンでの圧力降下 圧力変換操作に影響を及ぼす可変パラメータは、圧力とともに、流速および容積がある。 復帰圧はまた、コンバータユニットにおける操作を制御するために変動することが望ましいパラメータである。

理論的には、以下の態様で流体コンバータにおける圧力の増加および容積を測定することができる。

−流体の大きな流速により、バルブを作動させるタービンは、大きな回転速度を有し、バルブ系における交番の速度に加わる。 これは、個々のユニットにおける流体のそれぞれの入力または出力およびピストンの動きが最大になるまで増加する。

−ポンプからの圧力を増加または減少させることにより、ドリルビットでの圧力降下はそれぞれ増大または減少し、これにより供給される高圧流体の得られた圧力はそれぞれ増大または減少する。

上記した圧力コンバータが岩に割り込むジェットノズルに高圧流体を供給することを主たる目的とする場合でも、高圧のかかる掘削流体を別の用途に向ける、例えば、特定の掘削装置を駆動するのに使用することができる。

本発明の範囲内において変更を行なうことができる。
例えば、バルブ部材、ベアリングプレートおよびカバーの協働する開口およびスリットは、図示の実施例とは「逆に」配設することができ、即ち、スリットの小さな角度のある延長部をベアリングプレートに配設し、一方、バルブ部材の開口は中心軸線を中心に大きな角延長部を有するより長いスリット形状を有することができる。